TWI470663B

TWI470663B - 離子源

Info

Publication number: TWI470663B
Application number: TW99109626A
Authority: TW
Inventors: Ludovic Godet; Svetlana Radovanov; Timothy J Miller
Original assignee: Varian Semiconductor Equipment
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2015-01-21
Also published as: TW201118912A; TW201114332A

Description

離子源

【相關申請案之交互參考】

本申請案相關於在2009年4月3日申請的美國專利申請案第12/418120號，其合併於此作為參考。

本揭露書是有關於一種離子源，且特別是有關於一種具有電漿鞘調制器的離子源。

離子源是離子植入機及其他製程設備的關鍵構成要素。離子源一般包括用於接受饋入氣體(feed gas)的電弧室。饋入氣體藉由不同的習知技術在電弧室中被離子化，以產生電漿。電漿一般為離子(通常具有正電荷)與電子(具有負電荷)的準中性集合(quasi-neutral collection)。在電漿的整體中，電漿具有每公分0伏特的電場。電漿受限於一般稱為電漿鞘的區域。電漿鞘為相較於電漿具有較少電子的區域。來自電漿鞘的光發射(light emission)相較於電漿較不強烈，是因為較少電子出現且因此較少激發-鬆弛碰撞(excitation-relaxation collisions)發生的原因。因此，電漿鞘有時被稱作「暗空間(dark space)」。

請參照圖1，圖1所繪示為習知具有電弧室102的離子源100的剖面圖。電弧室102包括具有萃取孔隙110的側壁103。饋入氣體(未繪示)在電弧室102中被離子化，以產生電漿140，此電漿140具有接近萃取孔隙110的電漿鞘142。位於電漿140與接近萃取孔隙110的電漿鞘142之間的邊界141一般平行於平面132，平面132是由側壁103的內表面所定義，其取決於電漿140的電漿密度與由萃取電極總成(未繪示)所產生的電場。離子106被萃取電極總成萃取成定義明確(well-defined)的離子束118。

習知離子源的一個缺點是缺少來自萃取孔隙110的離子束聚焦。離子106以對位於電漿140與電漿鞘142之間的邊界141約直角的方式加速穿過電漿鞘142。由於邊界141一般是平行於平面132，因此形成離子束118的離子106的角分散控制(angular spread control)較少。習知離子源的另一個缺點是邊界141的形狀限制住能夠加速穿過邊界141而穿越萃取孔隙110的離子106的數量。此會限制由離子源所能達到的離子束電流密度。離子束電流密度是每單位面積的束電流值，且典型地表示為毫安培/平分公分(mA/cm²)。相對高的束電流密度在某些情況下是令人嚮往的，且可改善既定製程的產出績效。習知離子源的又一個缺點是邊界141的形狀是由電漿140的電漿密度及電場的強度所決定。舉例來說，既定的電漿密度、高萃取電場可導致凹的邊界。電漿密度的減少會導致凸的邊界。所有的這些事實限制來自習知離子源之離子束的發射率控制(emittance control)。離子束的發射率一般為離子束的空間及角分佈(spatial and angular distributions)，且可被粗略的定義為在每一點的橫動量(transverse momentum)中的束直徑及角分散的乘積。

因此，需要一種能夠克服上述不適當及缺點的離子源。

根據本揭露書的第一觀點，提供一種離子源。離子源包括具有萃取孔隙的電弧室及電漿鞘調制器。電漿鞘調制器被裝配以控制邊界的形狀，上述邊界位於電漿與接近萃取孔隙的電漿鞘之間。

根據本揭露書的另一觀點，提供一種由離子源產生離子束的方法。上述方法包括在具有萃取孔隙的離子源的電弧室中產生電漿，以及控制邊界的形狀，上述邊界位於電漿與接近萃取孔隙的電漿鞘之間。

本發明現在將在此與所伴隨的圖式作為參考進行更完整地描述，其中展示出本發明的實施例。然而，本發明可被體現為多種不同形式，且應不被理解為限制於在此所提出的實施例。

請參照圖2，圖2所繪示為符合本揭露書的一實施例的離子源200的剖面圖。離子源200包括具有側壁103的電弧室102，側壁103具有萃取孔隙110。離子源200更包括電漿鞘調制器220，以控制邊界241的形狀，邊界241位於電漿140與接近萃取孔隙110的電漿鞘242之間。萃取電極總成從電漿140萃取離子106，且加速離子106穿過電漿鞘242，至定義明確的離子束218的所要求的萃取能量。萃取電極總成可包括作為電弧狹縫電極(are slot electrode)的側壁103、抑制電極214及接地電極216。為了此定義明確的離子束218的萃取，抑制電極214及接地電極216各具有對準萃取孔隙110的孔隙。為了幫助說明，定義出卡氏座標系統(Cartesian coordinate system)，其中離子束218在Z方向中行進。X-Y平面垂直於Z方向，其可依據離子束的方向而改變。

在圖2的實施例中，電漿鞘調制器220包括安置於電弧室102中的一對絕緣體230、232。在其他實施例中，調制器可包括單一絕緣體。絕緣體230、232可以石英(quartz)、氧化鋁(alumina)、氮化硼、玻璃、瓷(porcelain)、氮化矽等製成。此對絕緣體230、232可為具有薄的及平坦的形狀的一對薄片。在其他實施例中，此絕緣體230、232可為如管狀、楔狀及/或具有傾斜邊緣(beveled edge)的其他形狀。在此對絕緣體230、232之間定義出具有間隔(G)的間隙。此對絕緣體230、232也可在平面132上方被安置一垂直的間隔(S)，平面132藉由具有萃取孔隙110的側壁103的內表面所定義。

在操作中，饋入氣體(未繪示)供應至電弧室102。饋入氣體的範例包括BF₃、PH₃、AsH₃、B₂H₆、He、H₂、Ar及GeH₄，但不限於此。依據所要求的種類，饋入氣體可源自氣體元或可從固體源所蒸發。饋入氣體在電弧室102中被離子化，以產生電漿140。於此技術領域具有通常知識者將瞭解不同形式的離子源以不同的方式產生電漿，例如間接加熱陰極(indirectly heated cathode，IHC)源、伯納(Bernas)源、射頻(radio frequency，RF)源、微波(microwave)源及電子迴旋加速器共振(electron cyclotron resonance，ECR)源。IHC源一般包括安置於非常接近陰極的絲極(filament)，且也包括相關電源供應。陰極(未繪示)安置於電弧室102中。當絲極被加熱時，藉由絲極發射的電子被加速朝向陰極，以提供陰極的加熱。被加熱的陰極依次提供電子到電弧室中，其具有與饋入氣體的氣體分子的離子化碰撞，以產生電漿。

萃取電極總成包括側壁103、抑制電極214及接地電極216，萃取電極總成從電弧室102中的電漿140萃取離子106成為定義明確的離子束218。離子106被加速穿過241及電漿鞘242而穿越絕緣體230、232之間的間隙。作為電弧源電極的側壁103可藉由電源供應施加偏壓至與電弧室102一樣大的電位(potential)。抑制電極214在適度地負值被施加偏壓，以防止電子向後進入到電弧室102中。接地電極216可為接地電位。藉由此電極總成產生的電場的強度可被調整，以達到所要求的束電流及能量。

有利地，電漿鞘調制器220控制邊界241的形狀，此邊界241位於電漿140與接近萃取孔隙110的電漿鞘242之間。為了控制邊界241的形狀，電漿鞘調制器220修改或影響在電漿鞘242內的電場。如圖2所繪示，當電漿鞘調制器220包括此對絕緣體230、232時，邊界241相對於電漿140可具有凹形。依據數個因素，邊界241的形狀可被控制，這些因素包括位於絕緣體230、232的水平間隔(G)、在平面132上方的絕緣體的垂直間隔(S)、包括其介電常數的絕緣體材料、絕緣體230、232的厚度(T)及離子源的其他製程參數，但不限於此。

位於電漿140與電漿鞘242之間的邊界241的形狀與在電漿鞘242中的電場梯度(gradient)一起控制離子束的參數。舉例來說，離子106的角分散可被控制以協助離子束聚焦。例如，邊界241相對於電漿具有凹形，被加速穿過邊界的離子有大的角分散，以協助束聚焦。此外，離子束218的離子束電流密度也可被控制。舉例來說，相較於傳統離子源的邊界141，邊界241具有較大的區域以萃取更多的離子。因此，更多萃取的離子對增加的離子束電流密度作出貢獻。於是，在其他參數相同下，邊界241的形狀可提供具有高離子束電流密度的聚焦離子束。另外，離子束的發射率也可藉由控制邊界241的形狀而被控制。因此，對於給定的粒子密度及角分佈，被萃取的離子束的束品質可被定義明確。

請參照圖3，圖3所繪示為側壁103與萃取孔隙110的一實施例的示意圖，其為在Z方向中往上游看，所以離子束218來到此頁面外。如所示，萃取孔隙110可具有瘦長的矩形形狀，以允許離子束218的萃取。在此範例中，離子束218在X方向中具有長尺寸(long dimension)，其至少為離子束218在Y方向中的寬度的好幾倍。此種束在此技術領域被歸類為"帶狀束(ribbon beam)"。雖然所示的其長尺寸被定向在X方向中，然而長尺寸可被定向在任何所要求的方向，例如帶狀束的長尺寸可在Y方向中或任何其他相對於X及Y方向的角度。絕緣體230、232以假體(phantom)顯示，且如所繪示者具有矩形片狀，以控制位於電漿140與電漿鞘242之間的邊界241的形狀。

圖4為符合圖2的此對絕緣體230、232及萃取電極總成的部份剖面圖，其繪示加速穿過邊界241及電漿鞘242的模擬離子軌道。離子被加速穿越由絕緣體230、232所定義的間隙，且經由萃取孔隙110所萃取。給定邊界241的形狀及電漿鞘242內的電場梯度，離子軌道的大的角分散可被達成，而其可協助離子束聚焦。此外，相較於平行平面132的邊界形狀，邊界241的形狀使相對較大數量的離子被萃取成為可能。因此，由離子源總成被萃取的離子束的離子束電流密度可被增加及控制。離子的束發射率與角分散也可被控制。

請參照圖5，圖5所繪示為符合本揭露書另一實施例的方塊圖，此處電漿鞘調制器220的位置可被修改及設定至所要求的位置。電漿鞘調制器220可為此對絕緣體230、232，且在Y方向中位於絕緣體之間的間隔(G)的間隔可被調整。在Z方向中，從由側壁103的內表面所定義的平面132到絕緣體230、232的間隔(S)也可被調整。藉由調整絕緣體230、232的位置，位於電漿與電漿鞘之間的邊界241的形狀可被修改。因此，離子束的離子束聚焦、離子束電流密度及發射率也可被控制。

為了設定所要求的絕緣體230、232的位置，圖5的系統也可包括致動器502、控制器504、使用者介面系統506及感測器508。致動器502可被機械地耦接至絕緣體230、232，以驅動其往不同的方向，例如由箭頭541、543所繪示的在Z方向中控制間隔(S)及/或在Y方向中控制間隔(G)。控制器504可為或包括一般用途電腦(general-purpose computer)或一般用途電腦的網路，其可被程式化以執行所要求的輸入/輸出功能。控制器504也包括通訊元件、資料儲存元件及軟體。使用者介面系統506可包括如觸控螢幕(touch screen)、鍵盤、使用者指示元件(user pointing device)、顯示器、印表機等元件，以允許使用者輸入指令及/或資料，及/或監控此系統。如此技術領域所周知，感測器508可包括法拉第感測器(Faraday sensor)，以感測離子束的束電流。感測器508也可包括束角(beam angle)感測器，以在特定位置量測束的角度。不同的束角感測器為此技術領域所周知，且其中一者可包括安置於一個或多個法拉第杯(Faraday cup)上游的屏障(shield)。當屏障相對於下游的法拉第杯被移動時，此屏障被移動穿過離子束，以擋住束的不同位置。與屏障及法拉第杯的已知位置一起被讀取的束電流可被用以決定束角。

在操作中，控制器504可對由使用者透過使用者介面系統506所設定之所要求的離子束電流密度及/或束聚焦值(beam focusing value)及/或發射率值作出反應。控制器504可指示致動器502將絕緣體230、232安置在所要求的位置中，以達到所要求的邊界241的形狀。控制器504也可對從感測器508所感測的條件作出反應，以根據所感測的條件更新及修改絕緣體230、232的位置，所感測的條件如束電流及/或束角測量及/或束發射率。

圖6為符合圖5的剖面圖，其繪示在所有其他參數相同下，相對於平面132的此對絕緣體230、232的不同(S)位置處的離子軌道。在第一較短位置620中，絕緣體230、232被安置在平面132上方的第一距離(S1)。在對比的較長位置640，絕緣體230、232被安置在平面132上方的第二距離(S2)，其中(S2)>(S1)。在第一位置620中，位於電漿與電漿鞘之間的邊界641具有凹形。邊界641也具有近似於圓的圓周的一部分之形狀的形狀，此處拱形(arcuate)形狀的頂點為位於絕緣體232的上表面上方的距離(Za)。相對地，在第二位置640的邊界643具有較淺的形狀，此處拱形形狀的頂點為位於絕緣體232的上表面上方的較短距離(Zb)，或此處(Zb)<(Za)。

在電漿鞘中的邊界641、643與電場線的形狀影響從離子源所萃取的離子的角分散、離子束的離子束電流密度及離子束的發射率。舉例來說，具有相對較短(S1)的位置620的離子的角分散大於具有相對較長(S2)的位置640的離子的角分散。此外，在所有其他參數相同下，給定為了離子所增加的萃取面積，較短位置620的離子束的離子束電流密度大於較高位置640的離子束的離子束電流密度。雖然未繪示於圖6中，相對於平面132的各絕緣體230、232的間隔(S)的位置也可以彼此互不相同，以進一步地影響位於電漿與電漿鞘之間的邊界的形狀。

圖7為符合圖5的剖面圖，其繪示在所有其他參數相同下，在絕緣體230、232之間的不同間隙間隔處的離子軌道。在第一相對較短間隙位置720中，絕緣體230、232被安置為彼此相距第一距離(G1)。在對比地較長間隙位置740中，絕緣體230、232被安置為彼此相距第二距離(G2)，其中(G2)>(G1)。在第一位置720中，位於電漿與電漿鞘之間的邊界741具有凹形。邊界741也具有近似於圓的圓周的一部分之形狀的形狀。相對地，在第二位置740中的邊界743具有凹形，此處邊界743的中央部份約平行於平面132。相較於來自較長間隙位置740的離子的角分散，來自較短間隙位置720的離子的角分散提供相對較大的離子的角分散。此外，在所有其他參數相同下，給定較大的邊界741的面積，離子從此處被萃取，來自較短間隙位置720的離子束電流密度相對大於較長間隙位置740的離子束電流密度。

請參照圖8，圖8所繪示為具有成形為圓形的萃取孔隙810的側壁103的另一實施例的示意圖，其為在Z方向中往上游看，所以離子束818來到此頁面外。在此實施例中，離子束818具有近乎圓形的剖面形狀，且在此技術領域中被歸類為"點(spot)"束。雖然被繪示為具有近乎圓形的剖面形狀，然而"點"束典型地具有不規則形狀。在此實施例中以假體顯示的電漿鞘調制器830可為具有帶著圓形開口831的細矩形片狀的絕緣體。此外，圓形開口831可與圓形萃取孔隙810同心(concentric)。另外，圓形開口831的直徑(D)為可變的，以控制電漿鞘及位於電漿鞘與電漿之間的邊界的形狀。可變直徑(D)可對應不同參數進行設定，這些參數包括離子束818的所要求的離子束電流密度。

請參照圖9，圖9所繪示為離子源的相關電弧室的側壁903的另一實施例的示意圖，其為在Z方向中往上游看。側壁903具有多個圓形萃取孔隙910。圖10為沿著圖9的線10-10的剖面圖，其繪示電漿鞘調制器1020與對應的位於電漿與電漿鞘之間的邊界1041。被加速穿過邊界1041的離子的離子軌道也被繪示。

因此，提供具有電漿鞘調制器的離子源，電漿鞘調制器被裝配以控制邊界的形狀，此邊界位於電漿與接近萃取孔隙的電漿鞘之間。其使得離子束聚焦的較佳控制成為可能，例如被加速穿過邊界與電漿鞘的離子的角分散可被更佳地進行控制。此外，由離子源總成所萃取的離子束的離子束電流密度也可被控制。另外，離子束的發射率也可被控制。藉由增加有效面積可達成高離子束電流密度，離子從有效面積被萃取而形成離子束。高離子束電流密度可改善相關製程的產出。

本揭露書並非限定於在此所描述特定實施例的範圍中。更確切地，本揭露書的其他各種實施例及變更，除了那些描述於此的之外，為於此領域具有通常知識者藉由前述描述及所伴隨的圖式所顯而易見。因此，其他實施例及修改被認為落入本揭露書的範圍內。此外，雖然本揭露在此以文章方式描述為了特定目的在特定環境中的特定完成方式，然而於此技術領域具有通常知識可瞭解其有效地並非限於此，且本揭露書為了任何數量的目的可在任何數量的環境經有利地執行。因此，後附之申請專利範圍應被理解為在此所描述的本揭露書的最大廣度及精神。

10‧‧‧線

100、200‧‧‧離子源

102‧‧‧電弧室

103、903‧‧‧側壁

106‧‧‧離子

110、810、910‧‧‧萃取孔隙

118、218、818‧‧‧離子束

132‧‧‧平面

140‧‧‧電漿

141、241、641、643、741、743、1041‧‧‧邊界

142、242‧‧‧電漿鞘

214‧‧‧抑制電極

216‧‧‧接地電極

220、830、1020‧‧‧電漿鞘調制器

230、232‧‧‧絕緣體

502‧‧‧致動器

504‧‧‧控制器

506‧‧‧使用者介面系統

508‧‧‧感測器

541、543‧‧‧箭頭

620、640、720、740‧‧‧位置

831‧‧‧圓形開口

D‧‧‧直徑

G、S‧‧‧間隔

G1、G2、S1、S2、Za、Zb‧‧‧距離

T‧‧‧厚度

X、Y、Z‧‧‧方向

為讓本揭露書更明顯易懂，以所伴隨圖式作為參考，其中相同的構件以相同的數字表示，且其中：

圖1為符合先前技術的傳統離子源的剖面圖。

圖2為符合本揭露書的一實施例的離子源的剖面圖。

圖3為圖2的電弧室的側壁的一實施例的示意圖。

圖4為符合圖2的剖面圖，其繪示穿過圖2的邊界的加速離子的軌道。

圖5為控制電漿鞘調制器的間隔的系統的方塊圖。

圖6為繪示在圖5的電漿鞘調制器的不同垂直位置之離子軌道的部份剖面圖。

圖7為繪示在圖5的電漿鞘調制器的不同水平間隙位置之離子軌道的部份剖面圖。

圖8為符合本揭露書的離子源的電弧室的側壁的另一實施例的示意圖。

圖9為符合本揭露書的離子源的電弧室的側壁具有多個孔隙的另一實施例的示意圖。

圖10為沿著圖9的線10-10的剖面圖。

102‧‧‧電弧室

103‧‧‧側壁

106‧‧‧離子

110‧‧‧萃取孔隙

132‧‧‧平面

140‧‧‧電漿

200‧‧‧離子源

214‧‧‧抑制電極

216‧‧‧接地電極

218‧‧‧離子束

220‧‧‧電漿鞘調制器

230、232‧‧‧絕緣體

241‧‧‧邊界

242‧‧‧電漿鞘

G、S‧‧‧間隔

T‧‧‧厚度

X、Y、Z‧‧‧方向

Claims

一種離子源，包括：電弧室，具有萃取孔隙；以及電漿鞘調制器，被裝配以控制邊界的形狀，所述邊界位於電漿與接近所述萃取孔隙的電漿鞘之間。
如申請專利範圍第1項所述之離子源，其中所述電漿鞘調制器安置於所述電弧室中。
如申請專利範圍第2項所述之離子源，其中所述電漿鞘調制器包括一對絕緣體，所述對絕緣體定義出位於其間的間隙，其中在所述間隙附近的所述邊界的所述形狀為凹形。
如申請專利範圍第3項所述之離子源，其中所述對絕緣體包括一對絕緣片，且所述萃取孔隙具有狹縫形狀。
如申請專利範圍第3項所述之離子源，更包括致動器，機械地耦接至所述對絕緣體的至少一絕緣體，以調整所述間隙的的間隔。
如申請專利範圍第3項所述之離子源，更包括致動器，機械地耦接至所述對絕緣體，以調整所述對絕緣體的位置。
如申請專利範圍第3項所述之離子源，其中所述對絕緣體以石英製成。
如申請專利範圍第2項所述之離子源，其中所述電漿鞘調制器對應經所述萃取孔隙所萃取的離子束的所要求的離子束電流密度而安置。
如申請專利範圍第2項所述之離子源，其中所述電漿鞘調制器對應經所述萃取孔隙所萃取的離子束的離子的所要求的角分散而配置。
如申請專利範圍第2項所述之離子源，其中所述電漿鞘調制器對應經所述萃取孔隙所萃取的離子束的所要求的發射率而配置。
如申請專利範圍第2項所述之離子源，其中所述萃取孔隙具有圓形形狀，且所述電漿鞘調制器為具有圓形開口的絕緣片。
如申請專利範圍第11項所述之離子源，其中所述絕緣片的所述圓形開口與所述萃取孔隙的所述圓形形狀為同心，其中所述圓形開口具有可變直徑，所述可變直徑對應經所述萃取孔隙所萃取的離子束的所要求的離子束電流密度而設定。
一種由離子源產生離子束的方法，包括：在具有萃取孔隙的離子源的電弧室中產生電漿；以及控制邊界的形狀，所述邊界位於所述電漿與接近所述萃取孔隙的電漿鞘之間。
如申請專利範圍第13項所述之由離子源產生離子束的方法，其中所述控制操作包括將電漿鞘調制器安置於所述電弧室中。
如申請專利範圍第14項所述之由離子源產生離子束的方法，更包括對應經所述萃取孔隙所萃取的離子束的所要求的離子束電流密度而安置所述電漿鞘調制器。
如申請專利範圍第14項所述之由離子源產生離子束的方法，更包括對應經所述萃取孔隙所萃取的離子束的所要求的發射率而安置所述電漿鞘調制器。
如申請專利範圍第13項所述之由離子源產生離子束的方法，其中所述控制操作包括創造由一對絕緣體所定義的間隙，其中在所述間隙附近的所述邊界的所述形狀為凹形。
如申請專利範圍第17項所述之由離子源產生離子束的方法，更包括調整所述間隙的間隔。